Verstärkung relativistischer Elektronenpulse durch direkte Beschleunigung im Laserfeld

Dieses Konzept eröffnet die Möglichkeit, relativistische und ultra-kurze Elektronenpulse auf extrem kleinen Beschleunigungsdistanzen unterhalb eines Millimeters zu erzeugen. Solche Elektronen und darauf basierende Röntgenquellen haben vielfältige Anwendungsgebiete in der Spektroskopie und Strukturanalyse, in medizinisch-biologischer Forschung und für die Nanotechnologie.

Wie Elektronen in sehr starken Laserfeldern zu relativistischen Energien beschleunigt werden können, berührt eine grundlegende Frage der Physik der Licht-Materie Wechselwirkung. Zwar wird ein freies, ruhendes Elektron von den elektrischen und magnetischen Feldern eines Laserpulses zu Oszillationen mit extrem hohen Geschwindigkeiten getrieben, aber mit dem Abklingen des Lichtfeldes kommt das Elektron wieder zu Ruhe und ein netto Energieübertrag durch die direkte Beschleunigung in einem Laserfeld findet nicht statt.

Dieses grundlegende Prinzip, das gerne in Physikprüfungen diskutiert wird, ist jedoch an bestimmte Voraussetzungen der räumlichen Ausdehnung und Intensität des Laserpulses gebunden. Falls aber diese Voraussetzungen verletzt werden, z.B. durch Fokussierung des Lasers oder die Anwesenheit von starken elektrostatischen Feldern in einem Plasma, können Elektronen durch die Wechselwirkung mit einem Laserpuls tatsächlich beschleunigt werden.

Weltweit widmen sich viele Forschungsgruppen derzeit der Frage, mit welcher Geschwindigkeit Elektronen aus einem extrem starken Laserfeld extrahiert werden können und wie man mit ultra-kurzen Laserpulsen entsprechend kurze Elektronenpulse hoher Ladungsdichte erzeugen kann.

In einem Lichtfeld mit „relativistischer“ Intensität (I> 10¹⁸ W/cm²), oszillieren die Elektronen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit und ihre kinetische Energie liegt im Bereich von Megaelektronenvolt (MeV) bis Gigaelelektronenvolt (GeV bei I> 10²² W/cm²). Diese starken Lichtfelder erreicht man durch die Fokussierung von sehr kurzen Laserpulsen mit hohen Pulsenergien auf Raumbereiche von einigen Mikrometern. Die dadurch entstehende räumliche Intensitätsverteilung ermöglicht bereits eine Beschleunigung von Elektronen zu hohen kinetischen Energien.

Das Prinzip ist als „ponderomotive“ Beschleunigung bekannt und stellt einen elementaren Prozess bei der Wechselwirkung von starken Lichtfeldern und Materie dar. Verschiedene theoretische Studien haben vorhergesagt, dass darüber hinaus die Anzahl und Energie der Elektronen durch eine zusätzliche direkte Beschleunigung im Laserfeld deutlich gesteigert werden kann, aber nur, wenn die Elektronen-Licht Wechselwirkung gezielt unterbrochen wird. Diese Überlegungen waren der Ausgangspunkt für die Experimente von Julia Braenzel und ihren Kollegen am Max-Born-Institut.

In den Experimenten am MBI wurden die Elektronen von dem Lichtpuls zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt mittels einer für das Laserlicht undurchlässigen Separator Folie entkoppelt. So konnte gezeigt werden, dass sich dadurch die Zahl an Elektronen mit hohen Geschwindigkeiten erhöhen lässt. Mit einem 70 TW Ti:Saphir Laser (2 J @ 35 fs) und 30 bis 100 nm dünnen Targetfolien aus PVF-Kunststoff konnten < 10⁹ Elektronen mit kinetischen Energien im MeV – Bereich erzeugen werden, die durch die ponderomotive Kraft in die Ausbreitungsrichtung des Lasers emittiert wurden. Während der eigentlichen Wechselwirkung befindet sich die Folie in einem fast vollionisierten Zustand, das heißt, sie ist zu einem Plasma geworden.

Für hinreichend geringe Foliendicken unter 100nm kann ein Teil des Laserlichts dieses Plasma passieren und dadurch werden die hinter der Folie bereits emittierten Elektronen von dem transmittierten Lichtpuls überholt. Quasi intrinsisch synchronisiert werden die „langsamen“ Elektronen in das transmittierte, immer noch relativistische Laserfeld (<8 x 10¹⁸W/cm²) injiziert. Wird nun eine zweite dünne Folie als Separator in einem geeigneten Abstand hinter der ersten Folie platziert, kann eine Verstärkung des Elektronsignals in einem ganz bestimmten Energiebereich festgestellt werden.

Abbildung 1a zeigt schematisch den zeitlichen Ablauf im Experiment und in Abbildung 1b wird die resultierende Elektronenverteilung verglichen, die man ohne und mit zusätzlicher Separator Folie erhält. Die Separator Folie ist undurchlässig für das transmittierte Laserlicht aber durchlässig für die schnellen Elektronen, daher lassen sich die Elektronen vom Lichtfeld entkoppeln. Der Zeitpunkt an welchem die Wechselwirkung der Elektronen mit dem transmittierten Laserpuls unterbrochen wird, ist durch den Abstand zwischen den Folien vorgegeben.

Die in der Gruppe von Matthias Schnürer durchgeführten Experimente zeigen, dass die Verstärkung des Elektronensignals bei einem ganz bestimmten Abstand maximal wird und für sehr große Abstände gänzlich verschwindet. Das theoretische Konzept, Elektronen durch eine rechtzeitige Entkopplung vom Laserpuls nach erfolgter Beschleunigung auf hohen kinetischen Energien zu belassen, wurde durch zahlreiche Messreihen und numerische Simulationen bestätigt. Die Experimente und das analytische Modell zeigen, dass langsame Elektronen mit kinetischen Energien unter 100keV durch die Anwesenheit der zweiten Folie auf etwa eine Größenordnung höhere Energie beschleunigt werden.

Dieser Effekt führt zu einer Verdichtung der Elektronen in einem engen Energiebereich. Anders als bei der sogenannten „Kielwellenbeschleunigung“, mit der bereits die Erzeugung von GeV-Elektronen mit einer lasergetriebenen Plasmawelle demonstriert wurde, kann die direkte Laserbeschleunigung zu sehr hohen Laserintensitäten und Plasmadichten skaliert werden. Neben grundlegenden physikalischen Einsichten ergeben sich daher auf der Basis dieses Konzeptes auch zukünftige Anwendungen im Bereich laserbasierter Quellen relativistischer Elektronen.

Originalpublikation: Phys. Rev. Lett. 118, 014801 (2017) doi:10.1103/PhysRevLett.118.014801
„Amplification of Relativistic Electron Bunches by Acceleration in Laser Fields“
J. Braenzel, A.A. Andreev, F. Abicht, L. Ehrentraut, K. Platonov, and M. Schnürer

Kontakt:
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.
Max-Born-Straße 2 A
12489 Berlin
Julia Bränzel
Tel.: 030 6392 1338
E-Mail: braenzel@mbi-berlin.de

Dr. Matthias Schnuerer
Tel. 030 6392 1315
E-Mail: schnuerer@mbi-berlin.de

Abb. 1a: Schematische Darstellung des realisierten Prinzips einer direkten Elektronenbeschleunigung im Laserfeld und deren Umsetzung im Experiment.

Abb. 1b: In Laserpropagationsrichtung detektierte Elektronen von einem Einzel- (F1) und Doppelfolientarget (F1F2), bei der die zweite Folie als Separator wirkt. Die verwendeten Kunststofffolien haben eine Schichtdicke von F1=35nm und F2=85 nm. Ne gibt die integrierte Elektronenanzahl für den gesamten Detektionsbereich (0,2-7,5 MeV) bzgl. der Spektrometerapertur an.

Das Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In ihnen arbeiten mehr als 2.000 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.

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